Anestetikum spôsobuje bezvedomie vytvorením mozgového chaosu

Úroveň vedomia pacienta je v zdravotníctve veľmi dôležitá a niekedy sa považuje za životne dôležitý ukazovateľ zdravotného alebo neurologického stavu pacienta. Jedným z prostredí, v ktorých je bezvedomie rozhodujúce, je operačná sála, kde sa používa celkové anestetikum, aby sa zabezpečilo, že pacient nebude cítiť bolesť a zostane v pokoji.

Denne podstúpia celkovú anestéziu státisíce ľudí a rozšírene sa používa propofol, anestetikum a sedatívum. Zatiaľ čo účinky propofolu sú dobre známe, spôsob, akým spôsobuje bezvedomie, nie. Nová štúdia vedcov z MIT však priniesla odpovede prostredníctvom skúmania vplyvu, ktorý má propofol na aktivitu neurónov.

„Mozog musí fungovať na tomto ostrí noža medzi excitabilitou a chaosom,“ povedal Earl Miller, profesor neurovedy na Picowerovom inštitúte pre učenie a pamäť MIT a spoluautor štúdie. „Musí byť dostatočne vzrušivý, aby sa jeho neuróny navzájom ovplyvňovali, ale ak je príliš vzrušivý, zvrtne sa do chaosu. Zdá sa, že propofol narúša mechanizmy, ktoré udržiavajú mozog v tomto úzkom operačnom rozsahu.“

Mnohé teórie vedomia sa zameriavajú na sieťovú štruktúru mozgu, ktorá integruje informácie a spája rôzne časti orgánu. Jedna z významných teórií predpokladá, že vedomie pochádza zo vstupu, ktorý vyvoláva impulzy aktivity - alebo hroty - v celom mozgu. V tomto prípade výskumníci predpokladali, že rozhodujúcim faktorom vedomia je koncept „dynamickej stability“, teda operačného rozsahu mozgu, o ktorom hovoril Miller, a že propofol a možno aj iné anestetiká túto stabilitu narúšajú.

Meranie dynamickej stability v čase, keď sa človek dostáva do bezvedomia, by výskumníkom umožnilo určiť, či je stav bezvedomia dôsledkom príliš veľkej alebo príliš malej stability. Inými slovami, spôsobuje celkové anestetikum prílišnú stabilitu a nereagovanie mozgu, čo spôsobuje bezvedomie, alebo je bezvedomie spôsobené anestetikom, ktoré vyvoláva stav nadmerného vzrušenia a chaosu? Predchádzajúce štúdie priniesli protichodné výsledky, pričom niektoré tvrdili, že anestetiká spôsobujú stabilitu, a iné, že chaos.

Vedci podávali zvieratám infúziu propofolu počas jednej hodiny, počas ktorej postupne strácali vedomie. Zaznamenávali a analyzovali elektrickú aktivitu v štyroch oblastiach mozgu, ktoré sa podieľajú na zraku, spracovaní zvuku, priestorovom uvedomovaní a výkonných funkciách. Na rekonštrukciu celkovej mozgovej aktivity z čiastkových pozorovaní údajov výskumníci použili techniku nazývanú ako vkladanie oneskorenia s použitím Takensovej vety.

Táto veta sa používa v odbore matematiky nazývanom ako teória dynamických systémov, ktorý si sám o sebe vyžaduje náročnú matematiku. Preto zjednodušene povedané, Takensova veta o vložení oneskorenia umožňuje vymeniť čas (čiastkové pozorovania údajov) za priestor (úplný atraktor systému) na charakterizovanie nelineárneho dynamického systému. Atraktor je stav alebo správanie, ku ktorému má dynamický systém tendenciu vyvíjať sa bez ohľadu na jeho počiatočné podmienky.

V bdelom mozgu sa nervová aktivita po akomkoľvek vstupe prudko zvýši, než sa vráti na východiskovú úroveň aktivity. Vedci však pozorovali, že po začatí podávania propofolu sa mozog zvierat po vstupoch, ako sú zvuky, dlhšie vracal na základnú úroveň a zostával v nadmerne excitovanom stave. Tento účinok bol čoraz výraznejší, až kým zvieratá nestratili vedomie, čo naznačuje, že propofol inhibuje aktivitu neurónov, čo vedie k rastúcej nestabilite a prípadnému bezvedomiu.

Výskumníci potom tento účinok zopakovali pomocou modelu počítačovej neurónovej siete.

„Pozreli sme sa na jednoduchý model obvodu prepojených neurónov, a keď sme v ňom zvýšili inhibíciu, videli sme destabilizáciu,“ povedal Adam Eisen, postgraduálny študent MIT a hlavný autor štúdie. „Takže jednou z vecí, ktoré naznačujeme, je, že zvýšenie inhibície môže vyvolať nestabilitu, a tá je následne spojená so stratou vedomia.“

A ak si myslíte, že to znie proti intuícii, je to tak.

„K tomuto paradoxnému efektu, keď posilnenie inhibície destabilizuje sieť namiesto jej utlmenia alebo stabilizácie, dochádza v dôsledku disinhibície,“ vysvetľuje profesorka Ila Fieteová, druhá zodpovedajúca autorka štúdie. „Keď propofol zvyšuje inhibičný pohon, tento pohon inhibuje iné inhibičné neuróny a výsledkom je celkové zvýšenie mozgovej aktivity.“

Propofol pôsobí na jeden typ neurónov a receptorov, zatiaľ čo iné anestetiká pôsobia na iné typy. Vedci v súčasnosti skúmajú, či iné anestetiká dosahujú rovnaký účinok inými prostriedkami.

„Ak zistíte, že rôzne anestetiká majú spoločné mechanizmy, môžete ich všetky urobiť bezpečnejšími úpravou niekoľkých gombíkov namiesto toho, aby ste museli vypracovať bezpečnostné protokoly pre všetky rôzne anestetiká po jednom,“ povedal Miller. „Nechcete predsa mať iný systém pre každé anestetikum, ktoré sa bude používať na operačnej sále. Chcete jeden, ktorý bude robiť všetko.“

Vedci plánujú svoju metódu merania dynamickej stability aplikovať aj na iné stavy mozgu vrátane neuropsychiatrických porúch.

„Táto metóda je dosť výkonná a myslím si, že bude veľmi vzrušujúce aplikovať ju na rôzne stavy mozgu, rôzne typy anestetík a tiež na iné neuropsychiatrické stavy, ako je depresia a schizofrénia,“ povedala Fieteová.

Štúdia bola nedávno uverejnená v magazíne Neuron.